Особенности построения и поверки радиотехнических средств измерений

Радиотехнические измерения – область метрологии, предметом которой являются методы и средства контроля процессов создания информационных сигналов, их передачи, приема, преобразования, хранения и воспроизведения. Кратко их называют радиоизмерениями.

Радиотехнические измерения основываются на электроизмерениях, но имеют следующие особенности:

1) практически неограниченный диапазон частот сигналов;

2) широкий диапазон изменения измеряемых величин;

3) большое число измеряемых параметров радиосигналов;

4) большое разнообразие измеряемых характеристик радиоэлектронных и радиотехнических устройств;

5) жесткие требования к значениям входных (выходных) сопротивлений (импеданса) средств измерений;

6) необходимость учета влияния на результат частоты измеряемых сигналов и параметров соединительных проводов (кабелей);

7) жесткие требования к стабильности и метрологической надежности средств радиоизмерений. Отмеченные особенности оказывают существенное влияние на принципы построения средств радиотехнических измерений и методику их поверки.

Под средством радиотехнических измерений понимается техническое устройство, предназначенное для радиотехнических измерений, т.е. имеющее нормированные метрологические характеристики, оказывающие влияние на результаты и погрешности измерений.

Содержание поверки электронных средств измерений можно представить, как последовательное исследование:

Административное исследование (проверка комплектности, наличия пломб и клейм, внешний осмотр, целостность органов управления и индикаторов, и т.п.).

Техническое исследование (поверка правильности установки блоков и узлов, анализ износа и повреждений, проверка прибора на функционирование без оценки точности его работы и измерения в соответствии с инструкцией по эксплуатации). В случае ненормальной работы поверка по основным техническим характеристикам не производится, и прибор направляется в ремонт.

Метрологическое исследование (устанавливаются значения поверяемых метрологических характеристик, оцениваются погрешности и принимается решение)

Оформление результатов поверки (подтверждение пригодности средства измерения к применению или признание средства измерения непригодным к применению с соответствующим оформлением) в соответствии с требованиями нормативных документов.

Важным показателем достоверности поверки является соотношение погрешности радиотехнических средств измерения между вышестоящей и нижестоящей ступенями поверочной схемы. Считается вполне достаточным соотношение 1:5; 1:4 или 1:3.

При проведении поверки должны быть обеспечены «нормальные условия» в соответствии с ГОСТ 8.395-80 «ГСИ. Нормальные условия измерений при поверке. Общие требования»[4]. Иногда допускается проводить поверку в реально существующих условиях, отличных от нормальных, если они не выходят за пределы рабочих условий эксплуатации. В техническом описании указываются дополнительные условия поверки и необходимое время прогрева прибора.

В таблице 1 приведем, действующие нормативно-технические документы по поверке радиотехнических и электронных видов средств измерений.

Таблица 1.

Виды (типы) радиотехнических и электронных средств измерений и их нормативно-технические документы

Вид (тип) средств измерений	Нормативно-техническая документация по поверке рабочих средств измерений
I	II
В1, В4, В6 В2 В3 В7	Техническое описание (ТО), ГОСТ 8.429-81 ГОСТ 8.402-80, ТО ГОСТ 8.117-82, ГОСТ 8.118-85, ТО ГОСТ 8.118-85, ГОСТ 8.409-81, ГОСТ 8.402-80, ТО
М1 М3 М5	ТО, ГОСТ 8.497-83 ГОСТ 8.392-80, ТО, ГОСТ 8.569-2000 ГОСТ 8.392-80
Е4 Е6, Е8 Е7	МИ 1769-87 ТО ГОСТ 8.294-85, ГОСТ 8.409-81, ТО
Р1 Р2, Р4 Р3	ГОСТ 8.351-79, ГОСТ 8.357-79 ТО ГОСТ 8.493-83, ТО
Д2, Д3, Д5	ГОСТ 8.249-77
Ч1, Ч7 Ч2 Ч3	ТО, МИ 2188-92 ГОСТ 12692-67 МИ 1835-88, ТО, МИ 1533-86
Л2	МИ 94-76, ТО
Г3 Г4 Г5 Г6	ГОСТ 8.314-78, ТО ГОСТ 8.322-78; ГОСТ 16863-71, ТО ГОСТ 8.206-76, ТО
И1, И2	ТО
П3, П6, П7 П5	ТО ГОСТ 8.254-77, ТО
С1	ГОСТ 8.311-78
С4, С6, С8, С9 С3, СК3 С7	ТО, ГОСТ 8.331-78 МИ 1894-88 МИ 14-74, ТО
Х1	ГОСТ 12152-66

 

ГОСТ 15094-86 [6] устанавливает классификацию и основные обозначения электронных средств измерений. При этом в зависимости от вида из меряемых величин электронные средства измерения делятся на 21 подгруппу. Эта классификация представлена нами в Таблице 2.

Таблица 2.

Классификация электронных средств электрорадиоизмерений по виду измеряемых величин

Вид измерения	Классификация
I	II
Приборы для измерения параметров сигналов и электромагнитных полей	А – приборы для измерения силы тока В – приборы для измерения напряжения М – приборы для измерения мощности Ч – приборы для измерения частоты и времени Ф – приборы для измерения разности фаз и группового времени запаздывания П – приборы для измерения напряженности поля, плотности потока энергии, радиопомех и параметров антенн С – приборы для наблюдения, измерения и исследования форм сигнала и спектра
Средства для контроля и измерения характеристик элементов и устройств радиоэлектронных систем	Г – генераторы измерительные Т – генераторы цифровых сигналов Е – приборы для измерения параметров компонентов и цепей с сосредоточенными постоянными (измерители иммитанса) Р – приборы для измерения параметров элементов и трактов с распределенными параметрами Л – приборы для измерения параметров ЭВП, ППП и интегральных микросхем И – приборы для импульсных измерений Х – приборы для наблюдения и исследования характеристик радиоустройств
Установки для контроля радиоэлектронных систем и средств измерений	К – установки измерительные, системы измерительные автоматизированные Ц – анализаторы потока цифровых данных Н – меры электрических величин П*- специальные измерительные комплексы и приборы связи
Вспомогательные приборы, блоки и узлы	У – усилители измерительные Д – приборы для измерения ослаблений Б – источники питания измерительные Я – блоки измерительных приборов Э – измерительные устройства коаксиальных и волноводных трактов

 

Методы поверки – это совокупность приемов использования принципов, способов и средств поверки, положенных в основу передачи размера единицы физической величины от вышестоящих в поверочной схеме средств измерений нижестоящим. При поверке радиотехнического средства измерения используются следующие методы поверки:

1) Метод непосредственного сличения.

2) Метод сличения с помощью компаратора.

3) Метод прямых измерений.

4) Метод косвенных измерений.

Метод непосредственного сличения, представленный на рисунке 2 основан на одновременном измерении поверяемым радиотехническим средством измерения и рабочим эталоном (РЭ) одной и той же величины (от источника единиц физических величин) и определения погрешности измерений.

Отсчет показаний возможен двумя способами:

– показания поверяемого радиотехнического средства измерения устанавливаются на заданной отметке, а действительное значение определяется по показаниям рабочего эталона;

– размер физической величины устанавливается по рабочему эталону, а отсчет производится на поверяемом радиотехнического средства измерения (способ менее точный, но более производительный т.к. можно одновременно поверять несколько радиотехнических средств измерений).

Достоинства метода: простота, наглядность, возможность автоматизации.

Средство измерений

Рабочий эталон

Источник ЕФВ

У

= У - Уд

Уд

Рисунок 2 – Упрощенная схема поверки методом непосредственного сличения

 

Средство измерений

Источник ЕФВ

Рабочий эталон

Рабочий эталон

Метод сличения с помощью компараторов (рисунок 3) или других средств сравнения позволяет сравнить измеренные поверяемым средством измерения и рабочим эталоном величины и автоматически получить значение погрешности. Этот метод удобен при поверке большого числа мер.

 

 

 

 

= У - Уд

Рисунок 3 – Упрощенная схема поверки методом сличения с помощью компаратора

Компаратор – прибор сравнения двух однородных физических величин методом противопоставления или методом замещения (обычно с помощью мостов постоянного или переменного тока).

Метод прямых измерений (рисунок 4) сводится к измерению величины, воспроизводимой рабочим эталоном (мерой), и определению погрешности измерений по отношению к рабочему эталону. Рабочий эталон в этом случае подключается к поверяемому средству измерения в качестве измеряемого объекта. Метод удобен, когда необходимо произвести сличение в нескольких точках каждого диапазона. При этом в качестве рабочих эталонов чаще всего используются источники сигналов частоты (стандарты частоты, измерительные генераторы) и стабильные источники постоянного и переменного напряжения (типа В1 и Б5).

 

Средство измерений

Рабочий эталон (мера) Уд

У

= У - Уд

Рисунок 4 – Упрощенная схема поверки методом прямых измерений

 

Метод косвенных измерений (рисунок 5) применяется, если измеряемая величина не может быть воспроизведена с заданной точностью и нельзя использовать метод прямых измерений. Используются преобразователи единиц величин или расчет, основанный на определенных зависимостях между единицами величин.

Преобразователь ЕФВ

Х

Источники ЕФВ       У

Уд

Средство измерений

= У - Уд

У

Рисунок 5 – Упрощенная схема поверки методом косвенных измерений

 

Измерительные генераторы (ИГ) – источники электрических колебаний, параметры которых (частота, напряжение или мощность, коэффициент модуляции) могут регулироваться в некоторых пределах и отсчитываться с гарантированной для данного прибора точностью.

Согласно ГОСТ 15094-86 измерительные генераторы классифицируются по частоте и форме сигналов. Наиболее широкое распространение получили:

Г3- генераторы сигналов низкочастотные (20Гц – 300 кГц);

Г4 – генераторы сигналов высокочастотные (ВЧ 30 кГц – 50 МГц; УВЧ 50 МГц – 300 МГц; СВЧ 300 МГц – 100 ГГц);

Г5 – генераторы импульсов (1 кГц – 200 МГц).

К измерительным генераторам предъявляются следующие основные требования:

–сохранение заданной формы генерируемых сигналов во всем диапазоне частот;

–широкие пределы изменения амплитуды и частоты выходного сигнала;

–постоянство выходного напряжения (мощности) при изменении частоты;

–стабильность генерируемых частот;

–высокая точность установки частоты и уровня выходного напряжения(мощности);

–согласованность выхода генератора с нагрузкой.

Точности, с которыми отсчитываются параметры выходного сигнала, определяют метрологические характеристики измерительного генератора. Основная приведенная погрешность, выраженная в процентах, численно равна классу точности измерительного генератора по каждому параметру отдельно. Основные погрешности измерительного генератора, их составляющие и причины сведены в таблицу 3.

Таблица3

Основные погрешности измерительных генераторов

Основные погрешности	Составляющие и причины погрешности
I	II
Основная погрешность установки частоты сигнала	неточность градуировки шкалы (из-за неточности нанесения рисок шкалы или числовых значений частоты и погрешности меры, по которой производилась градуировка); наличие люфтов в механизмах установки частоты; неточность совмещения риски шкалы с визиром; уход и нестабильность параметров элементов задающего генератора.
Основная погрешность установки выходного напряжения (мощности)	погрешность установки опорного уровня выходного напряжения; погрешности аттенюатора.
Основная погрешность установки опорного уровня напряжения	неточность градуировки шкалы отсчетного устройства; частотная зависимость устройства установки опорного уровня выходного напряжения; отклонение значения нагрузки, на которой производится градуировка, от реальной.
Основная погрешность ослабления аттенюатора	неточность градуировки его шкалы; зависимость ослабления аттенюатора от частоты сигнала; отклонение сопротивления нагрузки от номинального.
Искажения формы сигнала (коэффициент гармоник)	Не идеальность процессов формирования его; возникновение нелинейных искажений в процессе усиления сигнала; паразитная модуляция.
Нестабильность параметров сигнала (частоты, амплитуды и формы)	Не стационарность процессов в конструкции ИГ; влияние внешних условий; дрейф параметров элементов ИГ.

 

Отмеченные основные погрешности и их причины в значительной степени определяют выбор операций поверки измерительного генератора, а также методы их выполнения.